Afprøvning af rumtidens symmetri ved hjælp af atomure

I sin særlige relativitetsteori, Einstein formulerede hypotesen om, at lysets hastighed altid er den samme, uanset hvilke betingelser der er. Det må, imidlertid, være mulig, at-ifølge teoretiske modeller for kvantegravitation-denne ensartethed af rumtid ikke gælder for partikler. Fysikere har nu testet denne hypotese med en første langsigtet sammenligning af to optiske ytterbiumure på Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Med disse ure, hvis fejl kun udgør et sekund om ti milliarder år, det burde være muligt at måle selv ekstremt små afvigelser af elektronernes bevægelse i ytterbium. Men forskerne opdagede ikke nogen ændring, da urene var forskelligt orienteret i rummet. På grund af dette resultat, den nuværende grænse for test af rum-tid-symmetri ved hjælp af eksperimenter er blevet drastisk forbedret med en faktor 100. Ud over dette, den ekstremt lille systematiske måleusikkerhed for de optiske ytterbiumure på mindre end 4 × 10 ^-18 er blevet bekræftet. Teamet bestående af fysikere fra PTB og fra University of Delaware har offentliggjort sine resultater i det aktuelle nummer af Natur .

Det er et af de mest berømte fysikeksperimenter i historien:Allerede i 1887, Michelson og Morley demonstrerede, hvad Einstein senere udtrykte i form af en teori. Ved hjælp af et roterende interferometer, de sammenlignede lysets hastighed langs to optiske akser, der kørte lodret til hinanden. Resultatet af dette eksperiment blev et af de grundlæggende udsagn i Einsteins særlige relativitetsteori:Lysets hastighed er den samme i alle rumretninger. Nu kunne man spørge:Gælder denne symmetri af rummet (som er opkaldt efter Hendrik Antoon Lorentz) også for bevægelse af materialepartikler? Eller er der nogen retninger, langs hvilke disse partikler bevæger sig hurtigere eller langsommere, selvom energien forbliver den samme? Især for partiklernes høje energier, teoretiske modeller for kvantegravitation forudsiger en krænkelse af Lorentz -symmetrien.

Nu er et eksperiment blevet udført med to atomure for at undersøge dette spørgsmål med høj nøjagtighed. Frekvenserne for disse atomure styres hver af resonansfrekvensen for en enkelt Yb ⁺ ion, der er gemt i en fælde. Mens elektronerne i Yb ⁺ ioner har en sfærisk symmetrisk fordeling i grundtilstanden, i den ophidsede tilstand udviser de en tydeligt langstrakt bølgefunktion og bevæger sig derfor hovedsageligt langs en rumlig retning. Bølgefunktionens orientering bestemmes af et magnetfelt påført inde i uret. Feltorienteringen blev valgt til at være omtrent i vinkel i de to ure. Urene er fast monteret i et laboratorium og roterer sammen med Jorden en gang om dagen (mere præcist:en gang om 23.9345 timer) i forhold til de faste stjerner. Hvis elektronernes hastighed var afhængig af orienteringen i rummet, dette ville således resultere i en frekvensforskel mellem de to atomure, der ville forekomme periodisk, sammen med Jordens rotation.

For klart at kunne adskille en sådan effekt fra eventuelle tekniske påvirkninger, frekvenserne af Yb ⁺ ure blev sammenlignet i mere end 1000 timer. Under forsøget, der blev ikke observeret nogen ændring mellem de to ure for det tilgængelige interval af periodevarigheder fra et par minutter op til 80 timer. Til den teoretiske fortolkning og beregninger vedrørende atomstrukturen af ​​Yb ⁺ ion, PTB's team arbejdede i samarbejde med teoretikere fra University of Delaware (USA). De resultater, der nu er opnået, har forbedret de grænser, der blev sat i 2015 af forskere fra University of California, Berkeley med Ca ⁺ ioner drastisk med en faktor 100.

I gennemsnit over den samlede målingstid, begge ure udviste en relativ frekvensafvigelse på mindre end 3 × 10 ^-18 . Dette bekræfter den samlede usikkerhed for uret, der tidligere var blevet estimeret til at være 4 × 10 ^-18 . Desuden, det er et vigtigt skridt i karakteriseringen af ​​optiske atomure på dette nøjagtighedsniveau. Først efter cirka ti milliarder år ville disse ure potentielt afvige fra hinanden med et sekund.